⚛️ quantum physics

Measurement-and Feedback-Driven Non-Equilibrium Phase Transitions on a Quantum Processor

Unter Verwendung eines supraleitenden Quantenprozessors mit hochpräzisen Messungen während der Laufzeit und Feedback mit geringer Latenz demonstrierten Forscher experimentell die Koexistenz zweier distinkter Nichtgleichgewichts-Phasenübergänge: eines messungsinduzierten Verschränkungsübergangs in einzelnen Quantentrajektorien und eines Übergangs in einen absorbierenden Zustand im gemittelten Quantenkanal, welcher der universellen Klasse der gerichteten Perkolation entspricht.

Ursprüngliche Autoren: Zhiyi Wu, Xuandong Sun, Songlei Wang, Jiawei Zhang, Xiaohan Yang, Ji Chu, Jingjing Niu, Youpeng Zhong, Xiao Chen, Zhi-Cheng Yang, Dapeng Yu

Veröffentlicht 2026-07-02

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Zhiyi Wu, Xuandong Sun, Songlei Wang, Jiawei Zhang, Xiaohan Yang, Ji Chu, Jingjing Niu, Youpeng Zhong, Xiao Chen, Zhi-Cheng Yang, Dapeng Yu

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich eine riesige, komplexe Tanzfläche vor, auf der 30 Tänzer (die Qubits) sind. In der Welt der Quantenphysik befinden sich diese Tänzer in einer Superposition von Zuständen – sie sind im Grunde „überall gleichzeitig“ und halten sich an den Händen in einem massiven, unsichtbaren Netz aus Verbindungen, der sogenannten Verschränkung (Entanglement).

Dieses Paper beschreibt ein Experiment, bei dem die Forscher einen speziellen Quantencomputer gebaut haben, um zu beobachten, wie sich diese Tanzfläche verhält, wenn man den Tanz durch zwei spezifische Aktionen unterbricht: das Überprüfen der Tänzer (Messung) und das Sagen, was sie als Nächstes tun sollen, basierend auf dem, was man gesehen hat (Feedback).

Hier ist die Aufschlüsselung dessen, was sie herausgefunden haben, unter Verwendung einfacher Analogien:

Das Setup: Eine Tanzfläche mit Regeln

Die Forscher erstellten einen Schaltkreis, in dem sich die Tänzer in Mustern bewegen (unitäre Gates) und dann in zufälligen Intervallen ein „Schiedsrichter“ einen bestimmten Tänzer überprüft.

Die Überprüfung (Messung): Der Schiedsrichter schaut nach, ob ein Tänzer steht (Zustand |1⟩) oder sitzt (Zustand |0⟩).
Das Feedback: Wenn der Schiedsrichter sieht, dass ein Tänzer steht, sagt er diesem Tänzer sofort, dass er sich setzen soll (eine Korrektur anwenden). Wenn der Tänzer bereits sitzt, passiert nichts.

Das Ziel dieser „Setz dich hin“-Regel ist es, schließlich alle zum Sitzen zu bringen. Die Forscher wollten sehen, was passiert, wenn sie ändern, wie oft der Schiedsrichter die Tänzer überprüft.

Die zwei verschiedenen „Phasen“ des Tanzes

Das Paper zeigt auf, dass die Tanzfläche, abhängig davon, wie oft der Schiedsrichter kontrolliert, in einen von zwei sehr unterschiedlichen Zuständen übergeht.

1. Die „aktive“ Phase (Niedrige Check-Rate)

Wenn der Schiedsrichter sehr selten überprüft (zum Beispiel einmal alle 10 Schritte), bewegen sich die Tänzer weiterhin frei herum. Selbst wenn der Schiedsrichter einige dazu bringt, sich zu setzen, hält die Gruppendynamik (die Verschränkung) die Energie hoch. Die „stehenden“ Tänzer breiten sich wie eine Welle über die Tanzfläche aus. Das System bleibt aktiv und chaotisch.

2. Die „absorbierende“ Phase (Hohe Check-Rate)

Wenn der Schiedsrichter sehr oft überprüft (zum Beispiel jeden Schritt), ist die Feedbackschleife zu stark. Jedes Mal, wenn ein Tänzer aufsteht, wird er sofort gezwungen, sich zu setzen. Die „stehende“ Energie wird erdrückt. Schließlich wird die gesamte Tanzfläche still und alle sitzen. Dies wird als absorbierender Zustand bezeichnet, weil das System, sobald alle sitzen, dort „feststeckt“ und nicht mehr aufstehen kann.

Die große Entdeckung: Zwei verschiedene Kipppunkte

Der spannendste Teil des Papers ist, dass die Forscher zwei verschiedene Kipppunkte gefunden haben, an denen sich das Verhalten ändert. Es ist nicht nur ein einziger Schalter; es sind zwei Schalter, die zu unterschiedlichen Zeiten auftreten.

Schalter A: Der Verschränkungs-Schalter (Der „stille“ Übergang)
- Was passiert: Bei einer niedrigeren Check-Rate (um 20 %) hören die Tänzer auf, sich an den Händen zu halten. Das massive Netz der Quantenverbindung (Verschränkung) bricht auseinander. Die Tänzer werden zu isolierten Individuen.
- Analogie: Stellen Sie sich vor, die Tänzer bewegen sich zwar noch, aber sie haben aufgehört, sich an den Händen zu halten. Sie tanzen noch, aber sie sind keine einzige, verbundene Einheit mehr.
- Ergebnis: Das System verliert zuerst seine „Quantenhaftigkeit“ (Verschränkung).
Schalter B: Der absorbierende Schalter (Der „Setz dich hin“-Übergang)
- Was passiert: Bei einer höheren Check-Rate (um 35 %) zwingt das System schließlich alle dazu, sich komplett hinzusetzen.
- Analogie: Das ist der Moment, in dem der Schiedsrichter so streng ist, dass die Tanzfläche komplett still wird.
- Ergebnis: Das System tritt in den „absorbierenden“ Zustand ein, in dem niemand mehr steht.

Warum das wichtig ist: Vor diesem Experiment dachten Wissenschaftler, dass diese beiden Dinge gleichzeitig passieren könnten. Dieses Paper beweist, dass sie unterscheidbar sind. Die Tänzer verlieren ihre Verbindung (Verschränkung), bevor sie gezwungen werden, sich ganz aufzuhören zu bewegen (absorbierender Zustand).

Die Verbindung zur „gerichteten Perkolation“

Als die Forscher genau hinsahen, in dem Moment, in dem sich die „aktive“ und die „absorbierende“ Phase trafen (der kritische Punkt), stellten sie fest, dass die Tänzer sich in einem sehr spezifischen, vorhersagbaren Muster ausbreiten.

Die Analogie: Stellen Sie sich vor, ein Feuer breitet sich in einem Wald aus. Wenn die Bäume genau richtig Abstand zueinander haben, breitet sich das Feuer auf eine spezifische, mathematische Weise aus.
Die Erkenntnis: Die Art und Weise, wie sich die „stehenden“ Tänzer ausbreiten, entsprach einem berühmten mathematischen Modell namens gerichtete Perkolation (Directed Percolation, DP). Dies ist eine universelle Regel, die beschreibt, wie sich Dinge in vielen verschiedenen Systemen ausbreiten, von Epidemien bis hin zu Flüssigkristallen. Die Forscher maßen die „Geschwindigkeit“ dieser Ausbreitung und fanden, dass sie perfekt mit der DP-Vorhersage übereinstimmte.

Die Hardware: Ein superschneller Schiedsrichter

Um dies durchführen zu können, mussten die Forscher einen Quantenprozessor bauen, der unglaublich schnell und präzise ist.

Das Problem: Normalerweise dauert es zu lange, einen Quantenzustand zu überprüfen und eine Anweisung zu geben, und der empfindliche Quantenzustand kollabiert oder wird durch Fehler gestört, bevor das Feedback eintrifft.
Die Lösung: Sie bauten einen Prozessor, der einen Tänzer prüfen und einen Befehl in nur 200 Nanosekunden ausführen kann (das ist schneller als ein Augenzwinkern). Sie erreichten zudem eine Genauigkeitsrate von 98,7 % beim Lesen des Zustands. Diese Geschwindigkeit und Genauigkeit ermöglichten es ihnen, den „Tanz“ lange genug am Laufen zu halten, um diese Übergänge klar zu beobachten.

Zusammenfassung

Kurz gesagt: Die Forscher nutzten einen schnellen, hochwertigen Quantencomputer, um eine Tanzfläche zu simulieren, auf der Tänzer ständig beobachtet und korrigiert werden. Sie entdeckten:

Die Tänzer verlieren ihre Quantenverbindung (Verschränkung) bei einer niedrigeren Häufigkeit der Überprüfungen.
Die Tänzer hören völlig auf, sich zu bewegen (absorbierender Zustand), bei einer höheren Häufigkeit der Überprüfungen.
Der Übergang in den „Aufhören-zu-bewegen“-Zustand folgt einer universellen mathematischen Regel (gerichtete Perkolation), die beschreibt, wie sich Dinge in der Natur ausbreiten.

Dies beweist, dass adaptive Quantenschaltkreise (Schaltkreise, die sich basierend auf Messungen verändern) leistungsstarke Werkzeuge sind, um zu erforschen, wie komplexe Systeme reagieren, wenn sie sich im Ungleichgewicht befinden.

Technische Zusammenfassung: Mess- und Feedback-gesteuerte Nichtgleichgewichts-Phasenübergänge auf einem Quantenprozessor

Problemstellung
Quantenschaltkreismodelle dienen als Rahmenwerk zur Untersuchung nichtgleichgewichtiger Vielteilchen-Dynamiken, einschließlich des Entanglement-Wachstums (Verschränkungswachstums) und der Hydrodynamik. Während die unitäre Evolution bereits intensiv untersucht wurde, führt die Integration von Messungen während der Laufzeit (mid-circuit measurements) und Echtzeit-Feedback – essenziell für die Quantenfehlerkorrektur – neuartige dynamische Phänomene ein. Theoretisch können adaptive Schaltkreise zwei unterschiedliche Nichtgleichgewichts-Phasenübergänge aufweisen:

Messungsinduzierte Entanglement-Übergänge (MIPT): Ein Übergang in der Entanglement-Struktur einzelner Quantentrajektorien von einer Volume-law-Skalierung zu einer Area-law-Skalierung mit zunehmender Messrate $p$ .
Absorbierende Zustandsübergänge: Ein Übergang im gemittelten Quantenkanal, bei dem das System oberhalb einer kritischen Messrate in einen Zielzustand (den „absorbierenden“ Zustand, z. B. alle Qubits in $|0\rangle$ ) getrieben wird, beschrieben durch die Klasse der gerichteten Perkolation (Directed Percolation, DP).

Die experimentelle Auflösung beider Übergänge auf einem einzigen realen Gerät war bisher eine Herausforderung. Dies liegt an der Notwendigkeit einer großen Anzahl von Qubits zur Unterdrückung von Finite-Size-Effekten, hoher Gate-Fidelität und vor allem der Notwendigkeit von Latenzzeiten im Bereich niedriger Millisekunden für Echtzeit-Messung und Feedback, um kohärente Dynamiken zu bewahren. Vorherige Beobachtungen von dissipationsgetriebenen Übergängen verfügten über kein aktives klassisches Feedback.

Methodik
Die Autoren entwickelten einen supraleitenden Quantenprozessor und eine adaptive Schaltkreisarchitektur, um diese Herausforderungen zu adressieren:

Hardware-Plattform: Es wurde ein 66-Qubit-supraleitender Prozessor verwendet, wobei 30 frequenzabstimmbare Transmon-Qubits für das Experiment zum absorbierenden Zustand und 8 Qubits für den Entanglement-Übergang ausgewählt wurden. Das Gerät verfügt über globale Mid-Circuit-Messungen mit einer durchschnittlichen QND-Fidelität (Quantum Non-Demolition) von 98,7 % und einer Echtzeit-Entscheidungslatenz von 200 ns.
Schaltkreisarchitektur: Das Experiment nutzt einen hybriden Schaltkreis mit alternierenden Schichten von Zwei-Qubit-Unitär-Operationen der nächsten Nachbarn (implementiert über iSWAP-ähnliche Entangler mit zufälligen Phasenrotationen) und Mid-Circuit-Messungen.
Adaptives Feedback-Protokoll:
- Absorbierender Zustands-Versuch: Eine klassische Flag-Variable $f_i$ verfolgt den Status jedes Qubits (aktiv/inaktiv). Wenn eine Messung $|1\rangle$ ergibt, wird ein korrigierendes Pauli-X-Gate angewendet, um das Qubit in den Zustand $|0\rangle$ zurückzusetzen. Unitäre Gates werden nur angewendet, wenn mindestens ein Qubit in der Bindung aktiv ist. Dies erzeugt einen Wettbewerb zwischen unitärer Ausbreitung und messungsgetriebenem Zurücksetzen.
- Entanglement-Experiment: Eine reduzierte 8-Qubit-Implementierung ermöglicht eine vollständige Trajektorien-Postselektion. Reduzierte Dichtematrizen werden mittels Quantenzustandstomographie (QST) rekonstruiert, um die zweite Rényi-Entropie zu berechnen.
Fehlerkorrektur (Error Mitigation): Für die Entanglement-Studie korrigiert ein zweistufiges Verfahren die Auslesefehler (unter Verwendung von Kalibrierungsmatrizen) sowie die verbleibende Basis-Entropie (geschätzt bei $p=1$ ).

Zentrale Beiträge und Ergebnisse
Die Studie demonstriert erfolgreich die Koexistenz beider Phasenübergänge auf derselben Hardware-Plattform mit unterschiedlichen kritischen Punkten:

Absorbierender Zustandsübergang (30-Qubit-System):
- Ausgehend von einem einzelnen Seed-Zustand $|0\dots010\dots0\rangle$ zeigt das System eine aktive Phase bei niedrigen Messraten ( $p < p_{c}^{abs}$ ), in der Teilchen ballistisch propagieren, und eine absorbierende Phase bei hohen Raten ( $p > p_{c}^{abs}$ ), in der die Teilchendichte schnell verschwindet.
- Der kritische Punkt wurde bei $p_{c}^{abs} \approx 0,35$ identifiziert.
- Kritische Exponenten: Am kritischen Punkt folgte der Zerfall/das Wachstum der Teilchendichte einer algebraischen Skalierung, die konsistent mit der Klasse der gerichteten Perkolation (DP) ist.
  - Für den Single-Seed-Initialzustand wurde der dynamische Exponent mit $z = 1,58$ gefunden (Skalierung $|r| \sim t^{1/z}$ ).
  - Der Wachstums-Exponent war $\Theta = 0,31$ ( $N(t) \sim t^\Theta$ ).
  - Für einen voll besetzten Initialzustand $|11\dots1\rangle$ betrug der Zerfalls-Exponent $\alpha = -0,16$ ( $N(t) \sim t^\alpha$ ).
- Diese experimentellen Exponenten zeigten eine exzellente Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen für 1D DP.
Messungsinduzierter Entanglement-Übergang (8-Qubit-System):
- Durch die Analyse der Varianz der zweiten Rényi-Entropie $\text{Var}(S_A^{(2)})$ über zufällige Schaltkreisinstanzen und Trajektorien hinweg lokalisierten die Autoren den Entanglement-Übergang.
- Der Übergang findet bei einer kritischen Messrate von $p_{c}^{MIPT} \approx 0,20$ statt, wo die Varianz ihr Maximum erreicht.
- Unterhalb dieser Rate behält das System eine Volume-law-Entanglement bei; oberhalb der Rate geht das System in eine Area-law-Entanglement über.
Trennung der Übergänge:
- Ein entscheidender Befund ist die klare Trennung der beiden kritischen Punkte: $p_{c}^{MIPT} \approx 0,20 < p_{c}^{abs} \approx 0,35$ .
- Dies deutet darauf hin, dass der Verlust der Quantenkorrelationen (Unterdrückung des Entanglements) bei einer niedrigeren Messrate erfolgt als der makroskopische Übergang in den absorbierenden Zustand. Dies bestätigt theoretische Vermutungen, dass es sich hierbei um unterschiedliche physikalische Phänomene handelt.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass adaptive Quantenschaltkreise eine leistungsfähige Plattform zur Untersuchung nichtgleichgewichtiger Vielteilchen-Quantendynamiken bieten. Insbesondere:

Es demonstriert die erste direkte experimentelle Beobachtung der Trennung zwischen dem Entanglement-Übergang und dem absorbierenden Zustandsübergang auf einem Quanten-Device.
Es validiert die Klasse der gerichteten Perkolation für mess- und feedback-getriebene Übergänge in einem supraleitenden Prozessor.
Die Arbeit etabliert Mess-Feedback-Dynamiken als eine Ressource zur Kontrolle des Quanteninformationsflusses, was zentral für die aktive Quantenfehlerkorrektur und adaptive Quantenalgorithmen ist.
Die Autoren merken an, dass die präzisen Werte der kritischen Punkte von der spezifischen Gate-Auswahl und Finite-Size-Effekten abhängen, die qualitative Trennung der Übergänge jedoch robust ist. Zukünftige Erweiterungen auf größere Systeme und höhere Dimensionen könnten neue Universalitätsklassen an der Schnittstelle von Quanteninformation und statistischer Mechanik offenbaren.